[發明專利]一種新型高精度微量進給伺服系統及控制方法

有效

• 申請號: 201510078518.1
• 申請日: 2015-02-12
• 公開（公告）號: CN104714485A
• 公開（公告）日: 2015-06-17
• 發明（設計）人: 馮顯英;李慧;李沛剛;岳明君;于翰文;杜付鑫
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05B19/414
• 分類號: G05B19/414
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 趙妍

技術領域

本發明涉及機械技術領域，屬于高精度數控機床及高端機電裝備高精度運動控制領域技術，涉及一種適用于大尺度、高精度數控機床的高分辨率微量進給系統及其控制實現方法；可構成單軸、多軸高精度運動控制平臺，適用于各行業、各類高精度加工、定位、跟蹤及檢測場合的高端數控機電裝備。

背景技術

高精度運動控制技術是實現現代高精度加工、定位、跟蹤檢測技術的基礎。是現代國防陸海空尖端武器、微電子、光學、生物、醫學及遺傳工程等領域尖端技術產品開發中不可缺少的關鍵手段。然而，這種高精度運動控制的關鍵技術瓶頸之一是如何在加工過程中使工具或工件得到準確、穩定可靠地實現微納級分辨率的微量進給控制。由于低速爬行現象的影響，常規的機電傳動系統已經不再適用，當前實現微納級分辨率的微量位移控制的策略主要是依據智能材料的物理屬性，如磁致伸縮、電致伸縮、熱致伸縮以及機械力微量變形等原理獲得微納級的微量位移的。而上述各種方式的根本缺陷在于都存在極強的非線性，且行程范圍極小、剛性差，機構與控制復雜，成本高。本發明恰恰克服了這些諸多缺陷，且又實現了高分辨率下的微量進給控制。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種新型高精度微量進給伺服系統及其控制方法，并由此可構成單軸、多軸高精度運動控制平臺，可廣泛用于數控車床、數控銑床、數控磨床及各種加工中心等高端精密數控裝備和高精度運動控制下的精確定位、跟蹤及檢測等場。

本發明采用的技術方案如下：

一種新型高精度微量進給伺服系統，包括兩個伺服電機、滾珠絲杠螺母傳動副、位移檢測裝置、位置反饋模塊、CNC運動控制器；

其中一個伺服電機A驅動滾珠絲杠螺母傳動副的絲杠的旋轉，另一個伺服電機B驅動滾珠絲杠螺母傳動副的滾珠螺母組件旋轉，且兩個伺服電機各自通過一套伺服驅動系統驅動；在所述的滾珠螺母組件上固定工作臺，用于感應工作臺位移的位移檢測傳感器一端與工作臺相連，另一端和位置反饋模塊相連，將測得的工作臺位移信息反饋到所述位置反饋模塊；所述的位置反饋模塊將信號反饋到CNC運動控制器中；所述CNC運動控制器，根據工作臺給定運動要求，按照一定的算法分配使兩個電機宏觀下運動的指令給兩個伺服驅動系統，通過所述滾珠絲杠和滾珠螺母兩個宏觀的旋轉運動的合成，實現工作臺的微觀的微量進給控制。故本發明的核心思想就是通過宏宏雙驅動系統實現微動控制。

所述滾珠絲杠副螺旋傳動機構是螺母驅動型結構，包括絲杠、滾珠、螺母組件；所述伺服電機有兩個，一個通過聯軸器或同步齒形帶傳動或一級齒輪傳動和絲杠連接，帶動絲杠旋轉，稱為絲杠電機，即伺服電機A；另一個通過所述同步齒形帶或一級齒輪傳動和螺母連接,或采用空心伺服電機和螺母直連，稱為螺母電機，即伺服電機B。

所述伺服驅動系統包含絲杠電機伺服系統和螺母電機伺服系統，用于根據接收到的所述運動控制器的控制信號、所述位置反饋模塊或速度/位置/電流檢測器的實時位置反饋信號，采用PID控制算法或其他控制算法產生驅動信號以驅動所述伺服電機；所述運動控制器內置于計算機中，用于控制、協調所述兩個伺服電機的運動，并通過各自機械傳動部件分別帶動絲杠和螺母的旋轉運動,進而通過滾珠絲杠螺旋傳動副的“差動”或“和動”合成，實現工作臺極低速下的高分辨率的微量進給控制或高于常規單機伺服速度下的倍速快進控制。

滾珠絲杠螺旋傳動副,其螺母組件是由滾珠螺母、復合軸承、法蘭套構成，且滾珠螺母、復合軸承與法蘭套設計成一體化的結構部件；所述滾珠螺母內表面加工有滾珠螺旋滾道，外表面加工有復合軸承滾道，并作為復合軸承的內環，同時所述滾珠螺母外表面或端面上又有鋼球滾珠循環的循環器結構(內循環或端面外循環),實現滾珠的循環滾動和利用。所述滾珠螺母一端設計有固連傳動齒輪或同步帶輪的結構；所述法蘭套設計有和工作臺連接的端部法蘭連接緊固機構，同時內孔表面又兼為復合軸承的外環；所述復合軸承由滾珠螺母(內環)、軸承滾珠及法蘭套(外環)組成，既可承受一定的軸向力又可承受一定的徑向力。所述的滾珠絲杠螺旋傳動副這一不同于常規滾珠絲杠螺母副的設計結構，可以使滾珠絲杠副螺旋傳動具有多種驅動工作方式，且使得“旋轉+直移”的“復合運動”載體都集中在滾珠螺母組件上。

所述兩個伺服電機各自包含一個速度/位置/電流檢測器和一三相交流異步電機。

所述速度/位置/電流檢測器可以同時檢測速度/位置/電流，與所述三相交流異步電機連接，用于感知電機的旋轉速度/位置/電流信息，并反饋給所述各自的伺服驅動系統。